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什么是Linux内核

Linux是一种开源电脑操作系统内核。它是一个用C语言写成,符合POSIX标准的类Unix操作系统。Linux内核采用模块化的设计,可以根据需求加载和卸载不同的模块。它支持众多硬件平台和软件应用,具有高效、稳定、安全的特点,并得到了广泛的社区支持和开发人员的积极参与。

一、Linux内核的概念

Linux是一种开源电脑操作系统内核。它是一个用C语言写成,符合POSIX标准的类Unix操作系统。Linux内核是一款免费、开源、模块化、多任务、类Unix操作系统内核。它是Linux操作系统的核心部分,包含了操作系统最重要的底层代码和系统数据结构,负责掌管计算机硬件资源的管理和分配,处理输入输出请求,提供文件系统支持等。

Linux内核最初由芬兰计算机科学家Linus Torvalds编写,并于1991年首次对外发布。随后,Linux内核迅速受到广泛关注和使用,成为开源软件领域一颗璀璨的明星。

Linux内核采用模块化的设计,可以根据需求加载和卸载不同的模块。它支持众多硬件平台和软件应用,具有高效、稳定、安全的特点,并得到了广泛的社区支持和开发人员的积极参与。

二、Linux内核的组成

1、内存管理

内存管理主要完成的是如何合理有效地管理整个系统的物理内存,同时快速响应内核各个子系统对内存分配的请求。Linux内存管理支持虚拟内存,而多余出的这部分内存就是通过磁盘申请得到的,平时系统只把当前运行的程序块保留在内存中,其他程序块则保留在磁盘中。在内存紧缺时,内存管理负责在磁盘和内存间交换程序块。

2、进程

进程管理主要控制系统进程对CPU的访问。当需要某个进程运行时,由进程调度器根据基于优先级的调度算法启动新的进程。Linux支持多任务运行,那么如何在一个单CPU上支持多任务呢?

这个工作就是由进程调度管理来实现的。在系统运行时,每个进程都会分得一定的时间片,然后进程调度器根据时间片的不同,选择每个进程依次运行,例如当某个进程的时间片用完后,调度器会选择一个新的进程继续运行。

由于切换的时间和频率都非常的快,由此用户感觉是多个程序在同时运行,而实际上,CPU在同一时间内只有一个进程在运行,这一切都是进程调度管理的结果。

3、进程间通信

进程间通信主要用于控制不同进程之间在用户空间的同步、数据共享和交换。由于不用的用户进程拥有不同的进程空间,因此进程间的通信要借助于内核的中转来实现。一般情况下,当一个进程等待硬件操作完成时,会被挂起。当硬件操作完成,进程被恢复执行,而协调这个过程的就是进程间的通信机制。

4、虚拟文件系统

Linux内核中的虚拟文件系统用一个通用的文件模型表示了各种不同的文件系统,这个文件模型屏蔽了很多具体文件系统的差异,使Linux内核支持很多不同的文件系统。

这个文件系统可以分为逻辑文件系统和设备驱动程序:逻辑文件系统指Linux所支持的文件系统,例如ext2、ext3和fat等;设备驱动程序指为每一种硬件控制器所编写的设备驱动程序模块。

5、网络接口

网络接口提供了对各种网络标准的实现和各种网络硬件的支持。网络接口一般分为网络协议和网络驱动程序。网络协议部分负责实现每一种可能的网络传输协议。网络设备驱动程序则主要负责与硬件设备进行通信,每一种可能的网络硬件设备都有相应的设备驱动程序。

三、Linux内核的特征

1、Linux内核的组织形式为整体式结构

整个Linux内核由很多过程组成,每个过程可以独立编译,然后用连接程序将其连接在一起成为一个单独的目标程序。从信息隐藏的观点看,她没有任何程度的隐藏—每个过程都 对其它过程可见。这种结构的最大特点是内部结构简单,子系统间易于访问,因此内核的工作效率较高。另外,基于过程的结构也有助于不同的人参与不同过程的开发,从这个角度来说,Linux内核又是开放式的结构,她允许任何人对其进行修正、改进和完善。

2、Linux的进程调度方式简单而有效

可以说Linux在追求效率方面孜孜不倦,体现在调度方式上也是别具一格。对于用户进程,Linux采用简单的动态优先级调度方式;对于内核中的例程(如设备驱动程序、中断服务程序等)则采用了一种独特的机制—软中断机制,这种机制保证了内核例程的高效运行。

3、Linux支持内核线程(或称守护进程)

内核线程是在后台运行而又无终端或登录和它结合在一起的进程。有许多标准的内核线程,其中有一些周期地运行来完成特定的任务(如swapd),而其余一些则连续地运行,等待处理某些特定的事件(如inetd和lpd)。内核线程可以说是用户进程,但和一般的用户进程又有不同,它象内核一样不被换出,因此运行效率较高。

4、Linux支持多种平台的虚拟内存管理

内存管理是和平台密切相关的部分,为了支持不同的硬件平台而又保证虚拟存储管理技术的通用性,Linux的虚拟内存管理为不同的硬件平台提供了统一的接口,因此把Linux移植到一个新的硬件平台并不是一件很困难的事。

5、Linux的模块机制使得内核保持独立而又易于扩充

模块机制可以使内核很容易地增加一个新的模块(如一个新的设备驱动程序),而无需重新编译内核;同时,模块机制还可以把一个模块按需添加到内核或从内核中卸下,这使得我们可以按需要定制自己的内核。

延伸阅读1:Linux操作系统的层次结构

  • 硬件系统:包括CPU、内存、硬盘、网卡等;
  • 内核:这是操作系统的核心,负责管理硬件系统,同时为上层的应用程序提供操作接口;
  • 用户进程:表示计算机中运行的所有程序,它们运行于用户空间,由内核统一管理;